Вопрос 46. Удельное сопротивление проводниковых материалов.

 

Проводниками электрического тока в соответствии с терминами и определениями ГОСТ Р 52002-2003 называют вещества, основными электрическими свойствами которых является высокая электропро­водность. Их удельное сопротивление при нормальной температу­ре лежит в пределах от 0,016 до 100 мкОм·м. Эти материалы исполь­зуют для изготовления токоведущих частей электроустановок. Чаще всего в качестве проводников электрического тока используют твер­дые тела, реже − жидкости и газы в ионизированном состоянии.

Механизм прохождения тока в металлах − как в твердом, так и в жидком состоянии − обусловлен направленным движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрическо­го поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Важнейшими твердыми проводниковыми материалами, при­меняемыми в электротехнике, являются металлы и их сплавы.

Классификация металлических проводников. Металличе­ские проводниковые материалы подразделяются на следующие основные группы.

Металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопро­тивление р при нормальной температуре не более 0,05 мкОм·м. Металлы высокой проводимости используются для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов.

Сверхпроводники − это материалы (чистые металлы и сплавы), удельное сопротивление которых при весьма низких температурах, близких к абсолютному нулю, скачком уменьшается до ничтожно малой величины.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) − это про­водники, имеющие температуру перехода в сверхпроводящее со­стояние выше 30 К.

Криопроводники − это металлические проводники высокой проводимости, удельное сопротивление которых плавно снижается при понижении температуры и при криогенных температурах (T<−195 °С) становится гораздо меньше, чем при нормальной тем­пературе без перехода в сверхпроводящее состояние.

Сплавы высокого сопротивления с ρ при нормальной темпера­туре не менее 0,3 мкОм·м. Металлы и сплавы высокого сопротив­ления применяются для изготовления резисторов, электронагрева­тельных приборов, нитей ламп накаливания и т.п.

Металлы и сплавы различного назначения. К ним относятся тугоплавкие и легкоплавкие металлы, а также металлы и сплавы для контактов электрических аппаратов.

Классификация неметаллических проводников. К неметал­лическим твердым проводникам относятся:

Угольные материалы − это материалы на основе углерода. Из углеродных материалов изготавливают щетки электрических ма­шин, токосъемные вставки для токоприемников электровозов, элек­троды для прожекторов и дуговых электрических печей. Угольный порошок применяют в микрофонах.

Композиционные проводящие материалы − это искусствен­ные материалы с электронным характером электрической прово­димости, состоящие из проводящей фазы, связующего вещества и заполнителей с высокими диэлектрическими свойствами.

Классификация жидких и газообразных проводников. К жид­ким проводникам относятся:

Расплавленные металлы. В качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре может быть использована только ртуть (Нg), температура плавления которой около минус 39 °С. Другие металлы могут быть жидкими проводниками только при по­вышенных температурах, превышающих их температуру плавления.

Электролиты, или проводники второго рода − растворы кислот, щелочей и солей. Электропроводность в электролитах носит ионный характер, так как электрический ток в них обусловлен направленным движением анионов и катионов. Процесс прохождения электрического тока через электролит называют электролизом. В соответствии с законами Фарадея, при прохождении тока через электролиты вместе с переносом электрических зарядов происхо­дит перенос ионов электролита, т.е. ионов проводящего вещества, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода.

К газообразным проводникам относятся все газы и пары, в том числе и пары металлов. При низких напряженностях электрического поля газы являются хорошими диэлектриками. Если же напряженность электрического поля превзойдет некоторое критическое значение, при котором начинается ударная ионизация, то в этом случае газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов в единице объема числу положительных ионов представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы. Газы и пары металлов в качестве проводников используются в газоразрядных лампах освещения. Среди газоразрядных источ­ников оптического излучения наиболее распространены лампы, в которых используется разряд в парах ртути. Это люминесцентные лампы низкого давления (до 0,01 МПа) и дуговые ртутные лампы (ДРЛ) высокого давления (0,01−1МПа).

К важней­шим параметрам, характеризующим свойства проводниковых ма­териалов, относятся:

удельная проводимость γ или обратная ей величина − удель­ное сопротивление ρ;

температурный коэффициент удельного сопротивления или;

коэффициент теплопроводности;

удельная теплоемкость с;

удельная теплота плавления rпл;

температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР;

работа выхода электронов из металла А;

контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила еТ (термоЭДС);

предел прочности при растяжении σр и относительное удлине­ние при разрыве Δl/l.

Удельное электрическое сопротивление связано с сопротивлением проводника R, длиной l и площадью поперечного сечения S известной формулой:

(1)

где S − площадь поперечного сечения, мм2; R – сопротивление проводника, Ом;

l − длина, м.

Для измерения ρ проводниковых материалов разрешается поль­зоваться внесистемной единицей Ом·мм2/м. Связь между назван­ными единицами удельного сопротивления такая:

1 Ом·м = 106 мкОм·м = 106 Ом·мм2/м, т.е. 1 Ом·мм2/м = 1 мкОм·м.

Диапазон значений удельного сопротивления ρ металличе­ских проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0,016 для серебра и примерно до 1,4 мкОм·м для железохромоалюминиевых сплавов.

На основании электронной теории металлов величина удельного сопротивления металлического проводника равна

, (2)

где m − масса электрона (m = 9,1·10-31 кг); v − средняя скорость теплового движения электрона в металле; е − заряд электрона, Кл, q = 1,6·10-19 Кл; n0 – число свободных электронов в единице объема металла; λ − средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами кристаллической решетки.

Скорость теплового движения электронов мало зависит от температуры, так как электронный газ в металлах находится в состоянии «вырождения», для различных проводников она примерно одинаковая. Незначительно отличаются также и числа свободных электронов в единице объема проводников, например, для меди и никеля это различие составляет менее 10 %. Поэтому величина удельного электрического сопротивления различных проводников в основном зависит от средней длины свободного пробега электрона в данном проводнике, которая связана со строением проводника и его структурой.

Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления, а сплавы всегда имеют повышенное значение ρ в сравнении с компонентами, входящими в их состав. Повышенное сопротивление сплавов объясняется тем, что число свободных электронов и длина свободного пробега электрона у них понижена по сравнению с чистыми металлами. Из металлов высокой проводимости для электротехники наибольший интерес представляют серебро, медь, алюминий, вольфрам и их сплавы.

Сплавы высокого сопротивления получили широкое применение при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов и нагревательных элементов (манганин, никелин, константан, нихром и др.).

В первых двух случаях от сплавов требуется высокое удельное сопро­тивление и его высокая стабильность во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления и малый температурный коэффициент термоЭДС в паре данного сплава с медью. В последнем случае от сплава требуется способность длительно работать на воздухе при высоких температурах (1000 °С и более). Кроме того, они должны быть дешевыми и по возможности не содержать дефицитных составляющих.

К проводникам относятся также припои и флюсы − специальные материалы, применяемые при пайке.

В зависимости от температуры плавления припои делятся на 2 группы:

мягкие (до 400 °С), к ним относится олово, оловянно-свинцовые припои марки ПОС и др. Они применяются там, где требуется лишь хороший электрический контакт;

твердые (выше 500 °С) − медно-цинковые марки ПМЦ, серебряные − ПСр и др. Применяются для получения хорошего электрического контакта и механической прочности соединения.

Флюсы − это вспомогательные материалы, применяемые при пайке (канифоль, бура и др.). Они способны хорошо растворять и удалять окислы из расплава, создавать прочную пленку для защиты металла от окисления, улучшать растекаемость припоя.

Особую группу проводников составляют криопроводники и сверхпроводники – материалы, которые обладают ничтожно малым электрическим сопротивлением при температурах, близких к абсолютному нулю.